WO2001083198A1 - Prägewerkzeug, verfahren zur strukturierung einer oberfläche eines werkstücks und verwendung einer anodisch oxidierten oberflächenschicht - Google Patents

Prägewerkzeug, verfahren zur strukturierung einer oberfläche eines werkstücks und verwendung einer anodisch oxidierten oberflächenschicht Download PDF

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WO2001083198A1
WO2001083198A1 PCT/EP2001/004650 EP0104650W WO0183198A1 WO 2001083198 A1 WO2001083198 A1 WO 2001083198A1 EP 0104650 W EP0104650 W EP 0104650W WO 0183198 A1 WO0183198 A1 WO 0183198A1
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WO
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embossing
cavities
embossing tool
structured
layer
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PCT/EP2001/004650
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Thomas Sawitowski
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Alcove Surfaces Gmbh
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    • B30B15/00—Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
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    • B30B15/065—Press rams
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C59/00—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor
    • B29C59/02—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor by mechanical means, e.g. pressing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation

Definitions

  • the present invention relates to an embossing tool with a structured embossing surface, a method for producing an embossing tool with a structured embossing surface, a method for structuring a surface of a workpiece and the use of a surface layer provided with open cavities by anodic oxidation.
  • Embossing is a reshaping manufacturing method to create a relief-like or structured surface on a workpiece.
  • an embossing tool with a profiled or structured embossing surface is used.
  • the embossing surface is pressed or rolled on the surface of the workpiece to be structured with such an embossing force that the workpiece becomes plastic and flows into recesses in the embossing tool or the embossing surface. Due to the high embossing forces, the embossing tool and the embossing surface are usually made of metal.
  • an embossing tool with a very finely structured or profiled embossing surface is very complex.
  • a so-called "moth eye structure” regularly arranged, egg-box-like elevations - or fine grooves in the nanometer range
  • an exposure pattern with periodic intensity modulation to expose photosensitive material by means of two interfering laser beams.
  • a periodic surface structure is created, which is replicated in other materials and finally, for example, in nickel by electroforming using various replication processes.
  • Such a production is very complex and only suitable for structuring flat surfaces.
  • the nanometer range means profiles or structuring with structure widths ⁇ 1000 nm, in particular ⁇ 500 nm.
  • the structure width denotes the extent to which individual structure elements, such as elevations, are repeated, that is to say, for example, that Center distance between mutually adjacent elevations or depressions.
  • lithographic processes for structuring an embossing surface of an embossing tool can only be used to a very limited extent. It should be noted here that the wavelength of visible light alone is already 400 to 750 nm. In any case, the lithographic processes are very complex.
  • DE 197 27 132 C2 discloses the production of an embossing tool by Elysier.
  • a metallic embossing surface of the embossing tool is processed electrolytically, the metal of the embossing surface being an anode in a rapidly flowing electrolyte at a short distance from a cathode and being detached on the surface.
  • the metal or the embossing surface is given the structure determined by the shape of the cathode, so the cathode forms a template that is electrochemically molded.
  • DE 197 27 132 C2 also provides for the use of a roller-shaped rotary electrode, the outer surface of which has a negative shape of the desired embossed structure.
  • the effort is considerable and structuring in the nanometer range is possible to a limited extent.
  • the present invention has for its object to provide an embossing tool, a method for producing an embossing tool, a method for structuring a surface of a workpiece and a use of a surface layer provided with open cavities by anodic oxidation, wherein structuring in a simple, inexpensive manner Nanometer range is made possible.
  • An essential idea of the present invention is to provide a porous oxide layer, in particular a surface layer with an open one
  • an oxide layer in particular the aluminum oxide that is preferably provided, is relatively hard. In view of the often very high embossing forces, this is advantageous in order to be able to emboss workpieces of a wide variety of materials and to achieve a long service life for the embossing tool.
  • the template-free oxidation is very simple and inexpensive to implement.
  • the generation of the cavities is (quasi) independent of the shape and arrangement of the cathode used, that is, a template or negative shape as in the Elysier is not required.
  • the proposed template-free formation of open cavities through anodic oxidation enables the production of structures in the nanometer range in a very simple, inexpensive manner.
  • structure widths of 500 nm and less, even of 100 nm and less, are made possible.
  • the arrangement - regular or irregular - and the surface density of the cavities can be varied as required.
  • the anodized surface layer can be used directly, ie without further molding, as the embossing surface of an embossing tool.
  • the figure shows a very simplified sectional illustration of a proposed stamping tool 1 with a structured, that is to say profiled or relief-like stamping surface 2.
  • the stamping surface 2 is formed by a flat side of a surface layer 3 which is provided with open cavities 4 produced by anodic oxidation ,
  • the surface layer is applied to a carrier 5 of the embossing tool 1.
  • the surface layer 3 is applied to the carrier 5 by plasma coating.
  • the surface layer 3 can also be formed directly by the carrier 5, that is to say be a surface region of the carrier 5.
  • the surface layer 3 can also be deposited on the carrier 5 by other methods.
  • the surface layer 3 is preferably made of aluminum, which is applied to the carrier 5 in particular by plasma coating and adheres very well to the carrier 5, which preferably consists of metal, in particular iron or steel.
  • the surface layer 3 is at least partially anodically oxidized to the depth of a cover layer 6 in the illustrated example, as a result of which the cavities 4 are formed directly in the surface layer 3.
  • the cavities 4 are formed directly or without templates, ie the arrangement, distribution, shape and.
  • the cavity 4 is - in contrast to the Elysier - so at least essentially independent of the surface shape and proximity of the cathode used (not shown) during the oxidation.
  • This immediate or template-free creation of the cavities 4 includes an additional (previous or later) shaping or structuring tion of the embossing surface 2 or the cavities 4, however, by a negative shape.
  • the surface layer 3 can correspond to the oxidized cover layer 6.
  • the intermediate layer 7 made of aluminum in the example shown, which provides very good adhesion between the cover layer 6 and the carrier 5, can be omitted.
  • the uncoated carrier 5 can be anodized on its surface forming the embossing surface 2 to form a porous oxide layer or cavities 4.
  • a support 5 made of iron or steel, in particular stainless steel.
  • the surface layer 3 corresponds to the cover layer 6, that is to say the oxidized layer.
  • silicon and titanium and other valve metals can also be used, for example.
  • the embossing tool 1 or its embossing surface 2 preferably has a structure width S in the nanometer range, in particular from 30 to 600 nm and preferably from 50 to 200 nm.
  • the cavities 4 or their openings have an average diameter D of essentially 10 to 500 nm, preferably 15 to 200 nm and in particular 20 to 100 nm.
  • the cavities 4 are essentially elongated, their depth T preferably being at least about 0.5 times that aforementioned average diameter D and in particular about 1.0 to 10 times the diameter D.
  • the cavities 4 are at least substantially uniform here.
  • the cavities 4 are essentially cylindrical.
  • the cavities 4 can also have a different shape, for example be essentially conical.
  • the cavities 4 can also have a cross section that varies in shape and / or diameter over their depth T.
  • the cavities 4 can each be essentially conical as a coarse structure and can be provided with many fine depressions (small cavities) along their walls to form a female structure.
  • the cavities 4 are preferably arranged at least substantially regularly distributed over the surface of the surface layer 3 or over the embossing surface 2. However, an irregular distribution can also be considered.
  • the cavities or their openings are preferably distributed over the embossing surface 2 with a surface density of 10 9 to 10 ⁇ / cm 2 .
  • the areal density over the embossing area 2 is essentially constant. However, the areal density can also vary in regions on the embossing area 2 as required.
  • the area of the openings in the cavities 4 is preferably at most 50% of the expansion area of the embossing area 2. This achieves a sufficiently high stability or resilience of the embossing area 2 or of the surface layer 3 / cover layer 6 with regard to the high stresses that occur during embossing ,
  • the shape, arrangement, areal density and the like of the cavities 4 can be controlled by appropriate selection of the process conditions during anodizing.
  • the shape of the cavities 4 can be influenced by varying the voltage.
  • galvanostatic oxidation - ie with at least substantially constant current - leads to an approximately conical or hill-like shape of the cavities 4, so that a type of "moth eye structure" or the like can be formed in this way.
  • the surface density of the cavities 4, ie the number of cavities 4 per unit area on the embossing surface 2 depends, among other things, on the voltage and the current during anodizing.
  • the cavities 4 can vary in shape, depth and / or surface density over the embossing surface 2, in particular in regions, and / or can be formed on the embossing surface 2 only in regions.
  • the embossing surface 2 can also be modified before and / or after the oxidation - that is to say the creation of the cavities 4 - for example by lithographic processes, etching and / or other, preferably material-removing processes, in order, for example, to include a coarse structure in the form of webs, webs, regions or without creating cavities 4, large-scale elevations or depressions and the like on the embossing surface 2.
  • the embossing surface 2 can also be curved - for example cylindrical - or curved - for example lenticular or hemispherical.
  • the embossing surface 2 can have virtually any shape.
  • the figure also shows a workpiece 8, likewise in a greatly simplified, not to scale sectional view, in the already embossed state, that is to say with a surface 9 already structured by the embossing tool 1.
  • the embossing takes place in particular in that the embossing tool 1 has a corresponding embossing force the surface 9 of the workpiece 8 to be structured is pressed so that the material of the workpiece 8 flows at least partially into the cavities 4.
  • the workpiece 8, as indicated schematically in the figure is formed in one piece. Rather, the workpiece 8 can also have a different type of surface layer or surface coating or the like, not shown, which forms the surface 9 and is structured or embossed in relief-like manner by means of the embossing tool 1.
  • the embossing tool 1 can also be rolled off with an appropriate configuration / shape of the embossing surface 2 and / or the surface 9 to be structured.
  • the embossed surface 2 and / or the surface 9 to be structured can be curved - for example cylindrical - or curved to allow mutual rolling for structuring the surface 9.
  • the proposed embossing tool 1 allows a very fine structuring of the workpiece 8 or its surface 9. If necessary, the workpiece 8 or the surface 9 can also be repeated several times, first with a coarser structured - if necessary also produced in the usual way - and then with the more finely structured, proposed Tool 1 can be profiled or structured. In this case, a lower embossing force is used in particular in the second embossing with the finer embossing tool 1 and / or in an intermediate step the surface 9 is hardened in order not to completely cancel out the coarse structure produced during the first embossing, but rather to superimpose the coarse structure and the fine structure of the two To achieve embossing tools. For example, it is possible to produce relatively large elevations on the surface 9 in the range from 0.1 to 50 ⁇ m with several relatively small projections, for example in the range from 10 to 400 nm, on the surface 9 of the workpiece 8 ,
  • the proposed solution enables a very fine structuring of the surface 9 in a very simple, inexpensive manner. Accordingly, there is a very wide range of applications. For example, such, in particular very fine structuring in the case of antireflection layers, for changing the radiation emission of structured surfaces, in sensors, in catalysis, in the case of self-cleaning surfaces, in improving the surface wettability and the like.
  • the proposed solution also extends to the use of workpieces 8 with structured surfaces 9, which have been structured by means of the proposed embossing tool 1, for the aforementioned purposes.
  • the proposed solution is particularly suitable for stamping plastics - for example PMMA (polymethyl methacrylates), Teflon or the like - metals - for example gold, silver, platinum, lead, idium, cadmium, zinc or the like -, polymer coatings - for example paints , Paints or the like - and inorganic coating systems, etc
  • an essential aspect of the present invention is to use a surface layer with cavities formed directly or without templates as a result of anodic oxidation as a matrix or patrix in order to enable surface structuring in the nanometer range.

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Abstract

Es werden ein Prägewerkzeug, ein Verfahren zum Herstellen desselben, ein Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche eines Werkstücks und eine Verwendung einer anodisch oxidierten Oberflächenschicht vorgeschlagen. Ein einfaches, kostengünstiges Prägen im Nanometerbereich wird dadurch ermöglicht, daß eine Oberflächenschicht mit durch anodische Oxidation vorlagenfrei gebildeten Hohlräumen als Matritze eingesetzt wird.

Description

PRÄGEWERKZEUG, VERFAHREN ZUR STRUKTURIERUNG EINER OBERFLACHE EINES WERKSTÜCKS UND VERWENDUNG EINER ANODISCH OXIDIERTEN OBERFLÄCHΞNSCHICHT
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Prägewerkzeug mit einer strukturierten Prägefläche, ein Verfahren zum Herstellen eines Prägewerkzeugs mit einer strukturierten Prägefläche, ein Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche eines Werkstücks und eine Verwendung einer mit offenen Hohlräumen durch anodische Oxidation versehenen Oberflächenschicht.
Das Prägen stellt eine umformende Fertigungsmethode dar, um eine reliefartige bzw. slrukturierte Oberfläche auf einem Werkstück zu erzeugen. Hierbei wird ein Prägewerkzeug mit einer profilierten bzw. strukturierten Prägefläche verwendet. Die Prägefläche wird mit einer derartigen Prägekraft auf die zu strukturierende Oberfläche des Werkstücks gepresst bzw. auf dieser abgerollt, daß das Werkstück plastisch wird und in Vertiefungen des Prägewerkzeugs bzw. der Prägefläche fließt. Aufgrund der hohen Prägekräfte bestehen das Prägewerkzeug und die Prägefläche üblicherweise aus Metall.
Die Herstellung eines Prägewerkzeugs mit einer sehr fein strakturierten bzw. profilierten Prägefläche ist sehr aufwendig. Zur Erzeugung einer sogenannten "Mottenaugenstruktur" - regelmäßig angeordnete, eierkartonartige Erhebungen - oder feiner Rillen im Nanometerbereich ist es aus der Praxis bekannt, durch zwei interferierende Laserstrahlen ein Belichtungsmuster mit periodi- scher Intensitätsmodulation zur Belichtung von photoempfindlichem Material zu verwenden. Nach Entwicklung des belichteten Materials entsteht eine periodische Oberflächenstruktur, die über verschiedene Replikationsverfahren in andere Materialien und schließlich beispielsweise in Nickel durch Galvanoformung abgeformt wird. Eine derartige Herstellung ist sehr aufwendig und nur zur Strukturierung ebener Oberflächen geeignet.
Unter Nanometerbereich sind bei der vorliegenden Erfindung Profilierungen bzw. Strukturierungen mit Strukturbreiten < 1000 nm, insbesondere < 500 nm, zu verstehen. Die Strukturbreite bezeichnet das Maß, mit dem sich einzelne Strukturelemente, wie Erhebungen, wiederholen, d. h. also beispielsweise den Mittenabstand voneinander benachbarter Erhebungen oder voneinander benachbarter Vertiefungen.
Im Nanometerbereich sind lithographische Verfahren zur Strukturierung einer Prägefläche eines Prägewerkzeugs nur noch sehr bedingt einsetzbar. Hier ist zu berücksichtigen, daß allein die Wellenlänge des sichtbaren Lichts bereits 400 bis 750 nm beträgt. In jedem Fall sind die lithographischen Verfahren sehr aufwendig.
Die DE 197 27 132 C2 offenbart die Herstellung eines Prägewerkzeugs durch Elysieren. Beim Elysieren wird eine matallische Prägefläche des Prägewerkzeugs elektrolytisch bearbeitet, wobei das Metall der Prägefläche sich als Anode in einem rasch fließenden Elektrolyten einer Katode in geringem Abstand gegenüber befindet und oberflächlich gelöst wird. Hierbei erhält das Metall bzw. die Prägefläche die durch die Form der Katode bestimmte Struktur, die Katode bildet also eine Vorlage, die elektrochemisch abgeformt wird. Weiter sieht die DE 197 27 132 C2 die Verwendung einer walzenförmigen Rotationselektrode vor, deren Mantelfläche eine Negativform der gewünschten Prägestruktur aufweist. Auch hier ist der Aufwand beträchtlich und eine Strukturierung im Nanometerbereich allenfalls bedingt möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prägewerkzeug, ein Verfahren zum Herstellen eines Prägewerkzeugs, ein Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche eines Werkstücks und eine Verwendung einer mit offenen Hohlräumen durch anodische Oxidation versehenen Oberflächenschicht zu schaffen, wobei auf einfache, kostengünstige Weise eine Strukturierung im Nanometerbereich ermöglicht wird.
Die obige Aufgabe wird durch ein Prägewerkzeug gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 15 oder durch eine Verwendung gemäß Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine wesentliche Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine poröse Oxidschicht und zwar insbesondere eine Oberflächenschicht mit offenen
Hohlräumen, die durch anodische Oxidation unmittelbar bzw. vorlagenfrei, also unabhängig von einer Katodenform, gebildet werden, als Prägefläche eines Prägewerkzeugs einzusetzen. Dies führt zu mehreren Vorteilen.
Erstens, eine Oxidschicht, insbesondere das vorzugsweise vorgesehene Alu- miniumoxid, ist verhältnismäßig hart. Dies ist im Hinblick auf die oftmals sehr hohen Prägekräfte vorteilhaft, um Werkstücke verschiedenster Materialien prägen zu können und um eine hohe Standzeit des Prägewerkzeugs zu erreichen.
Zweitens, die vorlagenfreie Oxidation ist sehr einfach und kostengünstig realisierbar. Insbesondere ist die Erzeugung der Hohlräume (quasi) unabhängig von der Form und Anordnung der verwendeten Katode, also eine Vorlage bzw. Negativform wie beim Elysieren nicht erforderlich.
Drittens, die vorgesehene vorlagenfreie Ausbildung von offenen Hohkäumen durch anodische Oxidierung ermöglicht auf sehr einfache, kostengünstige Weise die Herstellung von Strukturen im Nanometerbereich. Insbesondere werden Strukturbreiten von 500 nm und weniger, sogar von 100 nm und weniger ermöglicht.
Viertens, je nach Wahl der Verfahrensbedingungen kann die Anordnung - regelmäßig oder unregelmäßig - und die Flächendichte der Hohlräume bedarfsgerecht variiert werden.
Fünftens, ebenfalls durch einfache Variation der Verfahrensbedingungen - insbesondere durch Variation der Spannung bei der Anodisierung - kann die Form der Hohlräume und damit der Struktur der Prägefläche eingestellt und variiert werden.
Sechstens, die anodisch oxidierte Oberflächenschicht kann direkt, also ohne weiteres Abformen, als Prägefläche eines Prägewerkzeugs eingesetzt werden.
Weitere Vorteile, Eigenschaften, Merkmale und Ziele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Die einzige Figur zeigt eine sehr schematische Schnittdarstellung eines vorschlagsgemäßen Prägewerkzeugs und eines damit strukturierten Werkstücks.
Die Figur zeigt in einer sehr vereinfachten Schnittdarstellung ein vorschlags- gemäßes Prägewerkzeug 1 mit einer strukturierten, also profilierten bzw. reliefartigen Prägefläche 2. Die Prägefläche 2 ist durch eine Flachseite einer Oberflächenschicht 3 gebildet, die mit offenen, durch anodische Oxidation erzeugten Hohlräumen 4 versehen ist.
Beim Darstellungsbeispiel ist die Oberflächenschicht auf einen Träger 5 des Prägewerkzeugs 1 aufgebracht. Beispielsweise ist die Oberflächenschicht 3 durch Plasmabeschichtung auf den Träger 5 aufgebracht. Jedoch kann die Oberflächenschicht 3 auch unmittelbar von dem Träger 5 gebildet, also ein Oberflächenbereich des Trägers 5 sein.
Selbstverständlich kann die Oberflächenschicht 3 auch durch andere Verfahren auf dem Träger 5 abgeschieden werden.
Beim Darstellungsbeispiel besteht die Oberflächenschicht 3 vorzugsweise aus Aluminium, das insbesondere durch Plasmabeschichten auf den Träger 5 aufgebracht wird und auf dem vorzugsweise aus Metall, insbesondere Eisen oder Stahl, bestehenden Träger 5 sehr gut haftet.
Die Oberflächenschicht 3 ist zumindest teilweise, beim Darstellungsbeispiel bis zur Tiefe einer Deckschicht 6 anodisch oxidiert, wodurch die Hohlräume 4 in der Oberflächenschicht 3 unmittelbar gebildet sind. Die Hohlräume 4 werden unmittelbar bzw. vorlagenfrei gebildet, d.h. die Anordnung, Verteilung, Form u. dgl. der Hohlräume 4 ist - im Gegensatz zum Elysieren - also zumin- dest im wesentlichen unabhängig von der Oberflächenform und Nähe der beim Oxidieren verwendeten (nicht dargestellten) Katode. Vielmehr wird er- findungsgemäß der "Ventileffekt", nämlich die beim Oxidieren bzw. Anodi- sieren der Oberflächenschicht 3 - zumindest insbesondere bei den sogenannten Ventilmetallen - auftretende, selbständige Bildung der Hohlräume 4 aus- genutzt. Diese unmittelbare bzw. vorlagenfreie Erzeugung der Hohlräume 4 schließt eine zusätzliche (vorherige oder spätere) Formung bzw. Strukturie- rung der Prägefläche 2 bzw. der Hohlräume 4 durch eine Negativform jedoch nicht aus.
Je nachdem, wie vollständig bzw. wie tief die Oberflächenschicht 3 oxidiert ist oder ob die Oberflächenschicht 3 unmittelbar vom Träger 5 gebildet ist, kann die Oberflächenschicht 3 der oxidierten Deckschicht 6 entsprechen. In diesem Fall kann beispielsweise die beim Darstellungsbeispiel aus Aluminium bestehende Zwischenschicht 7, die eine sehr gute Haftung zwischen der Deckschicht 6 und dem Träger 5 vermittelt, entfallen.
Beispielsweise kann gemäß einer Ausführungsalternative der unbeschichtete Träger 5 auf seiner die Prägefläche 2 bildenden Oberfläche unter Bildung einer porösen Oxidschicht bzw. von Hohlräumen 4 anodisch oxidiert sein. Dies ist beispielsweise bei einem Träger 5 aus Eisen oder Stahl, insbesondere Edelstahl, möglich. In diesem Fall entspricht dann die Oberflächenschicht 3 der Deckschicht 6, also der oxidierten Schicht.
Aluminium und Eisen bzw. Stahl, insbesondere Edelstahl, wurden bereits als besonders bevorzugtes Material genannt, das zumindest im wesentlichen zur Bildung der anodisch oxidierten Oberflächenschicht 3 bzw. der Deckschicht 6 verwendet wird. Jedoch können beispielsweise auch Silizium und Titan sowie sonstige Ventilmetalle eingesetzt werden.
Beim Darstellungsbeispiel sind die Größenverhältnisse nicht maßstabsgetreu dargestellt.
Das Prägewerkzeug 1 bzw. dessen Prägefläche 2 weist vorzugsweise eine Strukturbreite S im Nanometerbereich auf, insbesondere von 30 bis 600 nm und vorzugsweise von 50 bis 200 nm.
Die Hohlräume 4 bzw. deren Öffnungen weisen einen mittleren Durchmesser D von im wesentlichen 10 bis 500 nm, vorzugsweise von 15 bis 200 nm und insbesondere von 20 bis 100 nm, auf.
Die Hohlräume 4 sind beim Darstellungsbeispiel im wesentlich länglich ausgebildet, wobei ihre Tiefe T vorzugsweise mindestens etwa das 0,5-fache des vorgenannten, mittleren Durchmessers D und insbesondere etwa das 1,0- bis 10-fache des Durchmessers D beträgt.
Die Hohlräume 4 sind hier zumindest im wesentlichen gleichförmig ausgebil- det. Insbesondere sind die Hohlräume 4 im wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Jedoch können die Hohlräume 4 auch eine davon abweichende Form aufweisen, beispielsweise im wesentlichen konisch ausgebildet sein.
Generell können die Hohlräume 4 auch einen über ihre Tiefe T in Form und/oder Durchmesser variierenden Querschnitt aufweisen. Darüber hinaus können die Hohlräume 4 als Grobslruktur beispielsweise jeweils im wesentlichen konisch ausgebildet sein und zur Bildung einer Femslruktur entlang ihrer Wandungen jeweils beispielsweise mit vielen feinen Vertiefungen (kleinen Hohlräumen) versehen sein.
Vorzugsweise sind die Hohlräume 4 zumindest im wesentlichen regelmäßig über die Oberfläche der Oberflächenschicht 3 bzw. über die Prägefläche 2 verteilt angeordnet. Jedoch kommt auch eine unregelmäßige Verteilung in Betracht.
Vorzugsweise sind die Hohlräume bzw. deren Öffnungen mit einer Flächendichte von 109 bis 10π/cm2 über die Prägefläche 2 verteilt. Beim Darstellungsbeispiel ist die Flächendichte über die Prägefläche 2 im wesentlichen konstant. Jedoch kann die Flächendichte je nach Bedarf auch bereichsweise auf der Prägefläche 2 variieren.
Die Fläche der Öffnungen der Hohlräume 4 beträgt vorzugsweise höchstens 50 % der Ausdehnungsfläche der Prägefϊäche 2. Hierdurch wird eine ausreichend hohe Stabilität bzw. Belastbarkeit der Prägefläche 2 bzw. der Oberflä- chenschicht 3 / Deckschicht 6 im Hinblick auf die hohen beim Prägen auftretenden Beanspruchungen erreicht.
Generell kann die Form, Anordnung, Flächendichte und dergleichen der Hohlräume 4 durch entsprechende Wahl der Verfahrensbedingungen beim anodi- sehen Oxidieren gesteuert werden. Beispielsweise wird bei der Oxidation von Aluminium unter potentiostatischen Bedingungen - also bei zumindest im wesentlichen konstanter Spannung - ein zumindest im wesentlichen gleichmäßiger Querschnitt der Hohlräume 4 über deren Tiefe T hinweg, also eine zumindest im wesentlichen zylindrische Form erzielt. Entsprechend kann durch Variation der Spannung die Form der Hohlräume 4 beeinflußt werden. Beispielsweise führt eine galvanostatische Oxidierung - d. h. bei zumindest im wesentlichen konstantem Strom - zu einer etwa konusförmigen oder hügelartigen Form der Hohlräume 4, so daß auf diese Weise eine Art "Motten- augenstruktur" o. dgl. gebildet werden kann. Weiter hängt die Flächendichte der Hohlräume 4, d. h. die Anzahl der Hohlräume 4 pro Flächeneinheit auf der Prägefläche 2, u. a. von der Spannung und dem Strom beim Anodisieren ab.
Die Hohlräume 4 können bedarfsweise in ihrer Form, Tiefe und/oder Flächendichte über die Prägefläche 2, insbesondere bereichsweise, variieren und/oder nur bereichsweise auf der Prägefläche 2 ausgebildet sein.
Bedarfsweise kann die Prägefläche 2 auch vor und/oder nach dem Oxidieren - also Erzeugen der Hohlräume 4 - beispielsweise durch lithographische Verfahren, Ätzen und/oder sonstige, vorzugsweise materialabtragende Verfahren modifiziert sein, um beispielsweise eine Grobstruktur in Form von Bahnen, Stegen, Bereichen mit oder ohne Hohlräume 4, großflächigen Erhebungen oder Vertiefungen und dergleichen auf der Prägefläche 2 zu erzeugen.
Zur Modifikation der Prägefläche 2 bzw. der Hohlräume 4 kann auch eine chemische Aufweitung, insbesondere durch teilweises Wegätzen von Oxid- material, erfolgen. Auf diese Weise kann das Flächenverhältnis der Öffhungs- flächen der Hohlräume 4 zu der Erstreckungsfläche der Prägefläche 2 variiert bzw. vergrößert werden. Selbstverständlich sind hierdurch auch andere Modifikationen der Prägefläche 2 bzw. der Hohlräume 4 -je nach Einwirkzeit und Intensität - möglich.
Ein besonderer Vorteil der vorschlagsgemäßen Lösung liegt darin, daß die Prägefläche 2 auch gekrümmt - beispielsweise zylindrisch - oder gewölbt - beispielsweise linsenförmig oder halbkugelformig - ausgebildet sein kann. Insbesondere kann die Prägefläche 2 praktisch jede beliebige Form aufweisen. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es also nicht erforderlich, daß die Prägefläche 2 bzw. die Oberfläche der Oberflächenschicht 3 / Deckschicht 6 zmnindest im wesentlichen eben ist.
Die Figur zeigt ferner ein Werkstück 8, ebenfalls in einer stark vereinfachten, nicht maßstabsgetreuen Schnittdarstellung, im bereits geprägten Zustand, also mit einer durch das Prägewerkzeug 1 bereits strukturierten Oberfläche 9. Das Prägen erfolgt insbesondere dadurch, daß das Prägewerkzeug 1 mit einer entsprechenden Prägekraft auf die zu strukturierende Oberfläche 9 des Werkstücks 8 gepresst wird, so daß der Werkstoff des Werkstücks 8 zumindest partiell in die Hohlräume 4 fließt. Hierbei ist es nicht erforderlich, daß das Werkstück 8, wie in der Figur schematisch angedeutet, einstückig ausgebildet ist. Vielmehr kann das Werkstück 8 auch eine nicht dargestellte, andersartige Oberflächenschicht bzw. Oberflächenbeschichtung o. dgl. aufweisen, die die Oberfläche 9 bildet und mittels des Prägewerkzeugs 1 strakturiert bzw. relief- artig ausgebildet wird.
Anstelle des stempelartigen Prägens kann auch ein Abrollen des Prägewerkzeugs 1 bei entsprechender Ausgestaltung/Form der Prägefläche 2 und/oder der zu strukturierenden Oberfläche 9 erfolgen. Beispielsweise kann die Prä- gefläche 2 und/oder die zu strukturierende Oberfläche 9 gekrümmt - beispielsweise zylindrisch - oder gewölbt ausgebildet sein, um ein gegenseitiges Abrollen zur Strukturierung der Oberfläche 9 zu ermöglichen.
Mit der vorschlagsgemäßen Lösung läßt sich also sowohl ein Stempelpräge- verfahren also auch ein Rollprägeverfahren realisieren.
Des weiteren läßt sich mit der vorschlagsgemäßen Lösung sowohl ein Hohlprägen als auch ein Massivprägen bzw. Vollprägen realisieren. Ein entsprechendes Widerlager für das Werkstück 8 bzw. ein entsprechendes Gegen- Werkzeug ist aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt.
Das vorschlagsgemäße Prägewerkzeug 1 gestattet eine sehr feine Strukturierung des Werkstücks 8 bzw. dessen Oberfläche 9. Bedarfsweise kann das Werkstück 8 bzw. die Oberfläche 9 auch mehrfach, zunächst mit einem gröber strukturierten - ggf. auch in bisher üblicher Weise hergestellten - Prägewerkzeug und anschließend mit dem feiner strukturierten, vorschlagsgemäßen Prä- gewerkzeug 1 profiliert bzw. strukturiert werden. Hierbei w d insbesondere beim zweiten Prägen mit dem feineren Prägewerkzeug 1 eine geringere Prägekraft eingesetzt und/oder in einem Zwischenschritt die Oberfläche 9 gehärtet, um die beim ersten Prägen erzeugte Grobstruktur nicht gänzlich aufzu- heben, sondern eine Überlagerung aus der Grobstruktur und der Feinstruktur der beiden Prägewerkzeuge zu erreichen. So ist es beispielsweise möglich, auf der Oberfläche 9 verhältnismäßig große Erhebungen im Bereich von 0,1 bis 50 μm mit jeweils mehreren, relativ kleinen Vorsprüngen, beispielsweise im Bereich von 10 bis 400 nm, auf der Oberfläche 9 des Werkstücks 8 zu er- zeugen.
Die vorschlagsgemäße Lösung ermöglicht auf sehr einfache, kostengünstige Weise ein sehr feines Strakrurieren der Oberfläche 9. Dementsprechend findet sich ein sehr breiter Anwendungsbereich. Beispielsweise ist eine solche, ins- besondere sehr feine Strukturierung bei Antireflex-Schichten, zur Veränderung der Strahlungsemission strukturierter Oberflächen, bei der Sensorik, bei der Katalyse, bei selbstreinigenden Oberflächen, bei der Verbesserung der Oberflächenbenetzbarkeit und dergleichen verwendbar bzw. einsetzbar. Insbesondere erstreckt sich die vorschlagsgemäße Lösung auch auf die Verwen- düng von Werkstücken 8 mit strukturierten Oberflächen 9, die mittels des vorschlagsgemäßen Prägewerkzeugs 1 strukturiert worden sind, für die vorgenannten Zwecke.
Insbesondere eignet sich die vorschlagsgemäße Lösung für das Prägen von Kunststoffen - beispielsweise PMMA (Polymethylmethacrylaten), Teflon o. dgl. - Metalle - beispielsweise Gold, Silber, Platin, Blei, Idium, Kadmium, Zink o. dgl. -, Polymerbeschichtungen - beispielsweise Lacken, Farben o. dgl. - und anorganischen Beschichtungssystemen u.s.w.
Allgemein ausgedrückt liegt ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung darin, eine Oberflächenschicht mit durch anodische Oxidation unmittelbar bzw. vorlagenfrei gebildeten Hohlräumen als Matritze bzw. Patritze einzusetzen, um eine Oberflächenstrukturierung im Nanometerbereich zu ermöglichen.

Claims

Patentansprüche:
Prägewerkzeug (1) mit einer sirukturierten Prägefläche (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Prägefläche (2) durch eine anodisch oxidierte Oberflächenschicht (3) oder Deckschicht (6) mit offenen, durch die anodische Oxidation vorlagenfrei erzeugten Hohlräumen (4) gebildet ist.
2. Prägewerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (4) Öffhungsflächen mit einem mittleren, vorzugsweise zumindest im wesentlichen einheitlichen Durchmesser (D) von 10 bis 500 nm, vorzugsweise von 15 bis 200 nm und insbesondere von 20 bis 100 nm, aufweisen.
3. Prägewerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturbreite (S) der Prägefläche (2) im wesentlichen 30 bis 600 nm, insbesondere 50 bis 200 nm, beträgt.
4. Prägewerkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (4) eine Tiefe (T) aufweisen, die mindestens das 0,5-fache des mittleren Durchmessers (D) der Hohlräume (4) beträgt und insbesondere größer als der mittlere Durchmesser (D) der Hohlräume (4) ist.
5. Prägewerkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (4) zumindest im wesentlichen konisch ausgebildet sind.
Prägewerkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (4) in ihrer Form, Tiefe und/oder Flächendichte über die Prägefläche (2), insbesondere bereichsweise, variieren und/oder nur bereichsweise auf der Prägefläche (2) ausgebildet sind.
7. Prägewerkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prägefläche (2) sowohl eine Fein- als auch eine Grobstruktur aufweist.
8. Prägewerkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prägefläche (2) gelαiimmt, vorzugsweise gewölbt ist.
9. Prägewerkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) bzw. die Deckschicht (6) mit den Hohlräumen (4) zumindest im wesentlichen aus Aluminumoxid, Siliziumoxid, Eisenoxid, oxidiertem Stahl und/oder Titanoxid besteht.
10. Verfahren zum Herstellen eines Prägewerkzeugs (1) mit einer struktu- rierten Prägefläche (2), dadurch gekennzeichnet, daß eine die Prägefläche (2) bildende Oberflächenschicht (3) oder Deck- schicht (6) des Prägewerkzeugs (1) zur vorlagenfreien Erzeugung von offenen Hohlräumen (4) zumindest bereichsweise anodisch oxidiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflä- chenschicht (3) bzw. Deckschicht (6) potentiostatisch oxidiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) bzw. Deckschicht (6) mit variierender Spannung, insbesondere galvanostatisch, oxidiert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium, Silizium, Eisen, Stahl und/oder Titan oxidiert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeich- net, daß die Prägefläche (2) vor und/oder nach dem Oxidieren, insbesondere zur Erzeugung einer Grobstruktur, modifiziert wird, insbesondere durch lithographische Verfahren, Ätzen und/oder sonstige, vorzugsweise materialabtragende Verfahren.
15. Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche (9) eines Werkstücks (8) mittels eines Prägewerkzeugs (1) mit einer strukturierten Prägefläche
(2), dadurch gekennzeichnet, daß die zu strukturierende Oberfläche (9) mittels eines Prägewerkzeugs
(1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 strukturiert wird, wobei die Prägefläche (2) des Prägewerkzeugs (1) mit einer vorzugsweise vorbestimmten Prägekraft auf die zu strukturierende Oberfläche (9) gedrückt und/oder auf dieser abgerollt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (9) zunächst in einem ersten Schritt mittels eines ersten Prägewerkzeugs (1) grob strukturiert und anschließend in einem zweiten Schritt, insbesondere mit verringerter Prägekraft und/oder insbesondere nach vorzugsweise chemischem Härten der Oberfläche (9), mittels eines zweiten Prägewerkzeugs (1) fein strulcturiert wird.
17. Verwendung einer mit offenen Hohlräumen (4) durch anodische Oxidation unmittelbar versehenen Oberflächenschicht (3) oder Deckschicht (6), insbesondere eines Prägewerkzeugs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) bzw. Deckschicht (6) mit den Hohlräumen (4) als Prägefläche (2) zur Strul turierung einer Oberfläche (9) eines Werkstücks (8) verwendet wird.
18. Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober- flächenschicht (3) bzw. Deckschicht (6) zumindest im wesentlichen aus
Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Eisenoxid, oxidiertem Stahl und/oder Titandioxid gebildet ist.
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